汽車門內(nèi)飾板設計及有限元分析

萬全明

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

汽車門內(nèi)飾板是駕駛艙內(nèi)飾系統(tǒng)除儀表板外最重要的外觀內(nèi)飾件，其設計的成功與否一定程度上決定了車輛是否受顧客青睞。汽車門內(nèi)飾板位于駕駛艙，它除了反映汽車內(nèi)部空間的功能之外，還是人們體驗駕駛樂趣、感受汽車內(nèi)在品質(zhì)及滿足消費心理需求、品味空間舒適度的主要載體[1]。因此，汽車門內(nèi)飾板的設計非常重要。

1 門內(nèi)飾板的成型工藝

門內(nèi)飾板按其成型工藝可以分為硬質(zhì)門內(nèi)飾板和軟質(zhì)門內(nèi)飾板。1）硬質(zhì)門內(nèi)飾板其本體及扶手等各組成件都是注塑成型，無軟包件，工藝簡單，成本較低，但塑料感太強，給人一種低端內(nèi)飾的感覺，因此，目前此種方式的門內(nèi)飾板使用不多。2）軟質(zhì)門內(nèi)飾板是在扶手或扶手處裝飾板用軟包工藝，既提高觸感又增加吸收能量的能力，使駕駛感更舒適，目前一般都采用此種方式的門內(nèi)飾板。

根據(jù)軟包處表皮的成型工藝可以分為陽模真空成型、陰模真空成型以及搪塑成型工藝。1）陽模真空成型是將表面帶有紋理的母皮進行加熱，當表皮達到拉伸成型溫度要求時，上升陽模，使加熱表皮與陽模形成真空腔，開啟陽模真空抽吸系統(tǒng)，使表皮緊貼于陽模表面，冷卻后脫模，制得定型的表皮，成型表皮即可轉(zhuǎn)入下道發(fā)泡成型工序。陽模真空成型的優(yōu)點是模具投資小，壽命長，生產(chǎn)效率高。缺點是表皮紋理在抽真空時會由于拉伸而有損失，導致表面出現(xiàn)局部紋理較淺區(qū)域，零件外觀評審很難通過。2）陰模真空成型技術是將熱的不帶皮紋的母材放置在發(fā)泡層與陰模的型腔之間，通過真空吸附使母材與模具型腔（模具型腔已制作紋理）接觸，冷卻后片材收縮離開與發(fā)泡層吸附貼合成型[2]。陰模吸塑成型工藝不會出現(xiàn)皮紋拉伸變形現(xiàn)象，而且可以在一個零件上實現(xiàn)不同的皮紋形式，皮紋均勻清晰，手感好。3）搪塑成型工藝是將粉末原料均勻散布于加熱的模具表面，使其熔融并保持一定時間，使物理、化學雙重反應充分進行后冷卻定型，得到模具形狀的產(chǎn)品。不同的加熱方式對產(chǎn)品質(zhì)量、模具壽命等起決定性作用，主要有氣加熱、油加熱和砂加熱等方式。該工藝主要用于高檔車儀表板等手感、視覺效果要求高的產(chǎn)品。目前材料主要是PVC，基于環(huán)保要求，TPO、TPU等材料也有一些被應用成為中高檔車主導用料[3]。

2 門內(nèi)飾板的設計要求

2.1 門內(nèi)飾板定位方式

門內(nèi)飾板一般采用塑料卡扣的形式進行固定，可以在門內(nèi)飾板與儀表板配合處增加螺釘或子母扣固定，相鄰緊固件之間的距離一般為100 mm～200 mm，且塑料卡扣應均勻分布在門內(nèi)飾板周圈范圍內(nèi)。為保證門內(nèi)飾板表面沒有縮印，卡扣應安裝在卡扣座上，卡扣座根部需進行減膠處理，由于卡扣座的“狗窩”結(jié)構需要設計斜頂出模，在斜頂運動范圍內(nèi)不應該有筋或其他結(jié)構，否則卡扣座無法出模。在門內(nèi)飾板四個角處應布置有卡扣控制其與門鈑金的間隙。在門內(nèi)飾板上邊界處，卡扣距離水切邊界40 mm～80 mm，這樣既便于控制門上邊界的強度又利于線上門內(nèi)飾板的安裝[4]。

汽車門內(nèi)飾板的定位方式如圖1所示，門內(nèi)飾板一般由兩個定位柱進行定位，一個主定位，一個副定位，對應的安裝孔則分別為圓孔和腰型孔。兩個定位柱時，一個主定位控制X、Z方向，一個副定位控制Z方向，定位柱在高度方向上一般布置在距離上邊界40 mm～100 mm處，在前后方向上一般布置在距離前后外邊界1/4長度的位置上，在需要控制的方向上，鈑金開孔與定位柱間隙一般為0.3 mm～0.5 mm，副定位在非限位方向上間隙1.0 mm～2.0 mm。

2.2 門內(nèi)飾板揚聲器面罩的設計要求

門內(nèi)飾板揚聲器面罩開口面積S大于揚聲器面積的40%，開口大小一般直徑為2 mm，孔邊間距一般為1.2 mm～1.8 mm。揚聲器面罩可與門內(nèi)飾板一體注塑成型，也可以單獨拆件，卡接在門內(nèi)飾板本體上。為保證揚聲器聲音的透過性，揚聲器面罩開口邊界應不小于揚聲器最大振幅邊界。門內(nèi)飾板使用塑料卡扣如圖2所示，視覺區(qū)域劃分如圖3所示。

圖2 門內(nèi)飾板使用塑料卡扣

圖3 視覺區(qū)域劃分

2.3 門內(nèi)飾板與儀表板設計要求

一般轎車門內(nèi)飾板與儀表板的間隙為5 mm～8 mm，商用車一般為8 mm～10 mm。門內(nèi)飾板與儀表板之間需要配合高度，門內(nèi)飾板上段相較于儀表板上段低1.5 mm～2 mm，如圖4所示。兩者配合僅有Y向配合。如果兩者之間還有X向配合要求，則建議儀表板與門護板上段高度保持平齊[5]。儀表板上段高于門護板上段時，儀表板本體在儀表橫梁上側(cè)端設計成Z向腰型孔，無限位；儀表板本體相對儀表橫梁Z向高度左右兩側(cè)裝配隨機性比較大，一致性難以控制。最終表現(xiàn)在儀表板本體上端和門護板上端配合高度左右兩側(cè)偏差較大。建議將儀表板本體兩端最上段腰孔改成圓孔，以控制Z向高度。

圖4 門內(nèi)飾板與儀表板的匹配

3 門內(nèi)飾板剛度分析

門內(nèi)飾板是駕駛室內(nèi)乘客常接觸零件，根據(jù)顧客在使用過程中與其接觸頻次的大小可分為三個區(qū)域，即高接觸區(qū)域、中接觸區(qū)域以及低接觸區(qū)域[6-10]，每個區(qū)域的有限元分析標準及其合格的判斷依據(jù)不同，如表1所示。借助有限元分析軟件計算門內(nèi)飾板的變形量是否符合表1的要求。此門內(nèi)飾板材料相關參數(shù)如表2所示，采用PP+EPDM-TD2材料，屈服強度為21 MPa，彈性模量為1 800 MPa，泊松比為0.35。通過CATIA三維建模軟件建立門內(nèi)飾板的三維模型，并將所建立的模型導入到HyperMesh有限元分析軟件中進行3D網(wǎng)格劃分。本次模型單元劃分采用四面體網(wǎng)格，其基本尺寸為3 mm，單元總數(shù)為105 468個，節(jié)點總數(shù)為119 489個。約束此門內(nèi)飾板所有與鈑金的卡接點的6個自由度，用直徑10 mm的圓盤接觸內(nèi)飾板表面，并施加20 N的力，再通過ABAQUS有限元分析軟件進行求解，計算門內(nèi)飾板在不同工況下的剛度是否符合設計標準的要求。由于高接觸區(qū)域要求更加嚴格，本研究只針對門內(nèi)飾板高接觸區(qū)域進行分析。由于門內(nèi)飾板扶手是乘客經(jīng)常接觸的地方，僅取其中間一點作為高接觸區(qū)域一點進行剛度分析。門內(nèi)飾板有限元模型如圖5所示，并從圖6可知，此門內(nèi)飾板在P1處的變形量為0.186 mm，滿足江西五十鈴汽車有限公司標準的要求。

圖5 門內(nèi)飾板有限元模型

圖6 門內(nèi)飾板變形云圖

表1 門內(nèi)飾板CAE分析結(jié)果判斷依據(jù)

表2 門內(nèi)飾板材料及相關參數(shù)

4 結(jié)語

綜上所述，筆者對門內(nèi)飾板的設計過程進行了簡單的探討，如門內(nèi)飾板工藝的選擇、門內(nèi)飾板的定位方式、門內(nèi)飾板與揚聲器面罩的搭接、門內(nèi)飾板與儀表板的匹配設計。在此基礎上，針對門內(nèi)飾板中乘客經(jīng)常接觸的區(qū)域進行分析，并對門飾板進行剛度分析，分析結(jié)果表明，此門內(nèi)飾板的設計符合江西五十鈴汽車有限公司相關標準，可為后續(xù)相應車型提供參考。